某地下空间综合体的结构设计

来源 :城市建设理论研究 | 被引量 : 0次 | 上传用户:kekezhu99
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  摘要:城市地铁建设的快速发展带动了地下空间资源的大规模开发利用,本文介绍的南街地下空间项目位于福州市中心主干道八一七路下方,两端连接地铁1号线的东街口站与南门兜站,主体结构不分缝长度约480米,是集商业与交通、平时与战时为一体的大型综合地下空间。为了确保地铁建设工期以及减少施工对社会交通的影响,该项目设计了三阶段的交通疏解方案并采取三期施工措施。同时为了保证地下结构设计的安全性和经济性,利用有限元程序进行多工况不同边界条件的分析比较。本文还探讨了地连墙与内衬墙形成的叠合墙及地下空间结构耐久性设计等关键问题。
  关键词:地下综合体;分期施工;多工况分析;叠合墙;耐久性
  中图法分类号:O319.56文献标识码:A 文章编号:
   0 引言
  随着经济的快速发展,城市人口规模不断扩张,城市拥堵综合症越发严重,交通堵塞拥挤,环境日益恶化。为了改善环境、缓解人类生存发展与土地资源紧缺的矛盾,合理开发城市地下空间已成为大势所趋。近年来,伴随着城市地铁建设的快速发展带动了地下空间资源的大规模开发利用。
  福州市地貌属于典型的河口盆地,城区位于盆区中央, 盆地四周被群山峻岭所环抱。福州是福建省会城市,为政治经济中心,地少人多,环境呼吁我们必须要合理利用土地资源,方可缓解城市生存与发展的矛盾。《福建省人民政府关于加快城市地下空间开发利用的若干意见》【1】提出为适应新型城镇化的需要,必须科学合理开发利用城市地下空间资源,优化城市空间布局,促进土地节约集约利用。《福州市城市总体规划(2011—2020)》【2】提出福州市将依托福州地铁网络,建设以城市公共中心为枢纽的地下空间体系。地铁、综合管道、地下商业街、地下停车场等地下工程建设项目将应运而生,福州市将进入以地铁建设为主导的地下空间综合开发利用的新阶段。
  1 工程概括
  福州市南街地下空间改造工程,位于福州市中心城市南北向干道八一七路下方。八一七路是福州的交通中轴线与黄金商业圈,具有特殊的历史意义和文化内涵,“八一七路南街”凝聚了传统福州市民的深厚感情。该项目利用福州地铁交通建设的契机,通过开发道路下方的公共地下空间及整合连通周边地块地下空间,充分挖掘地下空间资源,优化区域交通体系,改善区域环境质量,建设成为集商业与交通,平时与战时为一体的系统化的地下空间综合体。
  南街地下空间建筑面积约54200平方米,位于福州市中心,周边道路交错,车流人流密集,管线分布密集。地下空间施工期间,八一七路仍需保证一定的通行需求,且地鐵1号线轨行区铺轨时间控制严格,工期紧张。根据实际情况需求,设计了三阶段的交通疏解方案并采取三期施工措施。(1)一期工程为八一七路正下方地铁区间段横向约40米,地铁东街口站至南门兜站区间纵向长度约480米。地下二层为轨行区,地下一层为商场,地面为八一七路,路面与结构顶板之间铺设共同管沟。共同沟内布置排水、消防、电气系统、监控设备、通风、照明等附属设施。(2)二期工程为八一七路西侧的三坊七巷风貌保护区,开发改造的地下商场与一期的地下空间连通。地下二层为汽车停车库及设备辅助用房和人防工程用房等。地下一层为主要商业层,与轨行区上方的商业相连通。地下一层夹层为商场,地面拟开发二~四层商业建筑。(3)三期工程为八一七路东侧设置下沉广场及出入口,与现有的商场百货地下室相连通。一期工程采取盖挖顺筑法,二期与三期均采用明挖法。该地下空间的剖面示意图,如图1所示。
  
  2 工程地质与水文地质
  场地地貌单元主要为冲淤积平原地貌,工程地质分区属淤积、冲积区。地层分布从上至下依次为杂填土、粉质粘土、淤泥(约1.6~17.6m)、粘土、中粗砂、淤泥质土、残积砂质粘性土、卵石、全风化花岗岩、砂土状强风化花岗岩、碎块状强风化花岗岩、中风化残留体(孤石)、中风化花岗岩。地下夹层,地下一层及地下二层底板下方基本均为淤泥层。
  场地地下水类型主要为上层滞水与下部岩层孔隙~裂隙承压水的混合水位,地下水水位受季节性降雨影响明显,近3~5年最高水位及历史最高水位标高约在7.5m,水位年变化幅度约在3.0m左右。根据场地地质情况与水文条件,拟建场地位于地下水位埋藏较浅的滨海地区和滨江地区,设计室外地坪标高约为8.0m,建议抗浮设防水位可按7.5m考虑。
  3 设计标准与结构体系
  本工程结构安全等级为一级【3】。根据其使用性质和重要性,商业开发部分耐久性使用年限为50年,地铁轨行区部分耐久性使用年限为100年【4】。抗震设防烈度为七度,设计地震基本加速度为0.10g,设计地震分组为第一组,场地类别为Ⅲ类,抗震等级为三级【5】。抗震设防按乙类建筑考虑【6】。
  八一七路下方轨行区间主体结构形式为二层现浇钢筋混凝土长条形箱型框架结构,内部结构横断面为板式箱型框架一柱二跨与二柱三跨,纵向设连续梁式框架。八一七路东西两侧地下空间结构采用双向钢筋混凝土框架结构。
  根据场地水文地质条件及周边环境要求,基坑支护形式采用800mm厚地下连续墙与三道水平支撑相结合的方案。综合考虑建筑成本、结构受力及施工工期等因素,地下主体结构的外墙采用基坑围护地下连续墙与内衬墙两墙合一的叠合墙,地连墙与内衬墙之间不设防水层,按叠合结构计算,内力及变形等均应满足规范要求。内部结构与地下连续墙刚性连接,地下连续墙兼主体结构竖向构件基础,地下室底板设置抗拔桩兼抗压桩,桩基安全等级为一级。地下室防水等级为一级,抗渗等级为P8【7】。
  4 多工况分析
  地下空间结构分三期施工,边界条件复杂且荷载种类繁多。多工况比较分析,判断结构断面及配筋的最不利条件,合理选取计算模型及计算单元对于保证工程的安全性及经济性具有重要意义。一期工程为位于八一七路正下方的地铁区间,考虑地铁车站标准段长宽比基本为一定值,以单向板导荷方式为主,采用SAP2000有限元分析程序进行平面框架建模。水平荷载作用于侧墙,通过顶、中,底板平面内刚度达到的平衡,顶(中)板通过纵梁及侧墙将其所承受竖向荷载传递给柱及底板,底板可视为置于文克尔地基上的弹性板,所有竖向荷载最终通过底板传递给地基。SAP2000计算结果主要用于结构的顶板、中板、底板及侧墙的支座与跨中的弯矩及剪力较大者,并进行截面配筋及裂缝验算。同时采用PKPM软件整体建模计算复核梁柱配筋。SAP2000考虑三期施工工况分别建模分析,计算的相应工况弯矩示意图,如图2所示。二三期工程为位于八一七路东西两侧的地下结构,采用PKPM程序整体建模分析。
  5叠合墙
  地下空间的底板埋深约16m,设置的下沉广场侧墙最深悬臂高度约10m。由于埋深较深,水平向的水土压力较大,侧墙的截面配筋及裂缝等均较难满足。为使结构受力合理,节约工程造价及缩短施工工期,利用作为基坑围护墙的地下地连墙的刚度,将800mm厚地连墙与400mm厚内衬墙形成叠合墙。地连墙和内衬墙之间不设防水层,通过对地连墙表面凿毛,设置剪力槽和接驳器联系起来形成叠合墙,将地连墙与内衬墙连接成整体共同承受水平压力。连续墙外侧配筋由施工阶段及正常使用阶段控制,内衬墙外侧配筋为构造配筋,内衬墙内侧内力和配筋由正常使用阶段控制。
  叠合墙应分别就其在施工阶段和正常使用阶段进行结强度、刚度和稳定性计算。混凝土结构尚应进行抗裂验算或裂缝宽度验算。当计及地震或其他偶然荷载作用时,可不验算结构的裂缝宽度【4】。最大计算裂缝宽度允许值按荷载效应标准组合并考虑长期作用影响,迎土面为0.2mm,其余均为0.3mm。对于侵蚀性环境的不利条件下的结构,其最大计算裂缝宽度允许值应根据具体情况另行确定【4】。
  6耐久性
  拟建场地位于地下水位埋藏较浅的滨海地区和滨江地区,地下室底板低于地下水稳定水位。而且地下主体结构无缝长度约为480m,大体积混凝土施工容易产生裂缝,因此必须十分重视地下结构耐久性,满足《混凝土结构耐久性设计规范》(GB/T 50476-2008)【8】及《混凝土结构设计规范》(GB50010-2010)【9】等相关规范要求。形成裂缝的因素复杂,基于混凝土材料特性引起的主要有温度裂缝、化学裂缝及徐变裂缝等。基于结构特性引起的主要有施工缝变形缝衔接处的裂缝及内衬墙收缩约束裂缝等。由于地连墙的刚度远大于内衬墙,往往先于内衬墙之前较长时间便已施工完成,基本已经完成变形,因此地连墙对新浇注的内衬墙的收缩变形具有强大的约束作用,使内衬墙产生拉应力,从而造成内衬墙开裂,形成渗水通道【10】。由于内衬墙和地连墙之间不设防水层,通过剪力槽和预埋筋联系在一起,叠合墙结构自防水效果直接影响到主体结构使用质量。基于裂缝的诱因,必须从设计、材料及施工等各个细节采取措施,严格控制施工质量,方可保证防水防渗效果。该项目要求主体结构每间距约24m设置诱导缝(地铁区间)或后浇带(商业开发部分),控制混凝土分段浇注的长度,选择合适的混凝土材料配合比及外加剂,重视施工缝及变形缝节点构造处理,加强混凝土养护等,并进行混凝土耐久性检验。
  7 结论与展望
  合理开发利用城市地下空间资源,将为城市未来发展带来新的机遇和挑战。尤其伴随着城市轨道交通的发展,以地铁站点核心及沿线腹地为影响的大型地下空间项目将增多。福州市南街地下空间改造工程,即结合地铁1号线站点建设契机,综合开发集商业与交通、平时与战时为一体的综合地下空间。为保证路面交通组织、工程造价及施工工期等因素,采用分期施工并利用有限元程序进行多工况分析比较,并介绍了叠合墙的设计施工及地下结构耐久性等关键问题。
  目前福州还处于地下空间开发的初始阶段,南街地下空间项目可为类似工程提供参考。随着城市地下空间开发技术越来越成熟,我们应积极推广“四新技术”,提高地下空间的科学性、可靠性与耐久性。
  
  参考文献( References)
  [1]福建省人民政府.《福建省人民政府关于加快城市地下空间开发利用的若干意见》(闽政文〔2014〕54 号)
  [2] 福州市人民政府.《福州市城市总体规划(2011—2020)》
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  [10]朱小蓉.地铁车站复合墙和叠合墙的结构体系分析[J].建筑施工,2009.03(Zhu XiaoRong, Analysis of Structural System of Compound Wall and Composite Wall for Metro Station[J].Building Construction,2009.03 (in Chinese) )
  
  作者简介:刘秋芳,女,1979年,硕士,高工,一级注册结构工程师,注册岩土工程师,主要从事结构设计。
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